一种光阳极电极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种光阳极电极材料，包含多孔硅和二氧化钛纳米线，所述二氧化钛纳米线分散于多孔硅的孔隙内部和表面。由实施例结果可知，本发明专利技术提供的光阳极电极材料在光电解水过程中光电流随着偏置电压的增加而增加，表面能够成功实现光电解水；能够实现对亚甲基蓝的降解，降解效率可达48％，且光电降解亚甲基的效率远远高于光降解和电降解。本发明专利技术还提供了所述光阳极电极材料的制备方法和应用，其制备方法和应用方法操作简便，易于实施。

A photo anode electrode material and its preparation and Application

The invention provides a photo anode electrode material, which comprises porous silicon and titanium dioxide nanowires, and the titanium dioxide nanowires are dispersed in the pores and surfaces of porous silicon. By the embodiment of the anode electrode material provided by the invention solution in the process of water current with increasing bias voltage increases in photoelectric, surface can be successfully achieved photoelecirolysis water; can be achieved on the degradation of methylene blue, the degradation efficiency was 48%, and the efficiency is much higher than that of photo degradation of methylene light degradation and degradation. The invention also provides the preparation method and application of the light anode electrode material, and the preparation method and the application method are easy to operate and are easy to implement.

【技术实现步骤摘要】
一种光阳极电极材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及电极材料
，尤其涉及一种光阳极电极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
环境和能源问题是当今人类面对的两大问题。自从1970年Fujishima和Honda报道了光激发TiO2分解水以后，广泛的研究已经证明了无毒、低成本和高化学稳定性的TiO2是一种可分解水中污染物和光解水制氢的杰出光催化材料。然而，TiO2的太阳光利用效率低(带隙宽度约为3.0～3.2eV，仅吸收太阳光谱中的紫外光波段)、体内电子-空穴对复合效率高、比表面积小以及TiO2纳米粒子水分离回收困难等一系列问题一直是制约TiO2材料光催化性能及应用的重要影响因素。硅作为一种低成本且环境友好型的半导体材料，具有较强的光捕获能力以及其导电类型的可调制性，被广泛的应用于微电子领域。但是，硅材料存在着在水中容易被氧化的缺点，普通硅和TiO2的复合材料难以实现在光解水中的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种由多孔硅和二氧化钛纳米线复合的光阳极电极材料，实现硅和TiO2复合材料在光电解水领域中的应用。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种光阳极电极材料，包含多孔硅和分散于所述多孔硅表面和孔隙内的二氧化钛纳米线；所述多孔硅的孔径为0.5～8μm；所述二氧化钛纳米线的长度为0.5～1.5μm，直径为0.1～0.3μm。本专利技术还提供了一种所述光阳极电极材料的制备方法，包含如下步骤：(1)将硅基片在沉积溶液中沉积银粒子，得到银硅基片；所述沉积溶液为硝酸银和氟化氢的混合液；(2)将所述银硅基片在刻蚀溶液中进行刻蚀，得到刻蚀基片；所述刻蚀溶液为过氧化氢和氟化氢的混合液；(3)将所述刻蚀基片在硝酸溶液中溶解掉银组分，得到多孔硅基片；(4)将所述多孔硅基片顺次在钛酸四丁酯的异丙醇溶液和无水乙醇中进行浸泡，重复所述浸泡1～8次制备晶种层，得到Si-Ti(OH)4基片；(5)对所述Si-Ti(OH)4基片进行退火处理，得到Si-TiO2基片；(6)将所述Si-TiO2基片在前驱体溶液中进行结晶生长，得到结晶Si-TiO2基片；所述前驱体溶液为钛酸四丁酯、盐酸和水的混合溶液；(7)对所述结晶Si-TiO2基片进行退火处理，得到光阳极电极材料。优选的，所述步骤(1)沉积溶液中硝酸银的浓度为0.001～0.02mol/L，氟化氢的浓度为4～5mol/L；所述沉积银粒子的时间为0.1～5min。优选的，所述步骤(2)刻蚀溶液中过氧化氢的浓度为0.1～1mol/L，氟化氢的浓度为4～5mol/L；所述刻蚀的温度为45～55℃，时间为30～40min。优选的，所述步骤(3)中硝酸溶液的质量浓度为45～55％，溶解银组分的时间为2～10h。优选的，所述步骤(4)中钛酸四丁酯的异丙醇溶液的浓度为0.05～0.1mol/L；每次在钛酸四丁酯的异丙醇溶液中浸泡的时间独立地为1～5min；每次在无水乙醇中浸泡的时间独立地为1～3min。优选的，所述步骤(5)中退火处理的温度为450～550℃，退火的时间为1～5h。优选的，所述步骤(6)中盐酸中氯化氢的质量浓度为35～40％；所述钛酸四丁酯、盐酸和水的体积比为2:(75～85):(75～85)；所述结晶生长的温度为140～160℃，时间为1～10h。优选的，所述步骤(7)中退火处理的温度为400～500℃，退火的时间为20～40min。本专利技术还提供了所述光阳极电极材料或者所述制备方法得到的光阳极电极材料在光电解水和/或光电催化有机物中的应用。本专利技术提供了一种光阳极电极材料，包含多孔硅和分散于所述多孔硅表面和孔隙内的二氧化钛纳米线。本专利技术将多孔Si和TiO2纳米线进行复合，可以获得更大的比表面积，从而增大与电解液的接触面积，显示出了该复合材料在光电化学应用方面的巨大潜力。同时，TiO2纳米线可以像护盾一样覆盖着多孔Si材料，防止其在水中被氧化，实现了该复合材料在水中光电解水的应用。其次，由于窗口效应，多孔Si复合TiO2纳米线异质结可以同时利用太阳光谱中的可见光部分和紫外光部分，使得光电催化性能大大增强。此外，多孔硅和TiO2纳米线进行复合形成异质结结构，可以提高材料光生电荷的分离效率。最后，多孔Si复合TiO2纳米线异质结光电极稳定、无毒，不会对水体造成二次污染，同时在光电化学过程中也能保持稳定可循环利用。由实施例结果可知，本专利技术提供的光阳极电极材料在光电解水过程中光电流随着偏置电压的增加而增加，表面能够成功实现光电解水；能够实现对亚甲基蓝的降解，降解效率可达48％，且光电降解亚甲基的效率远远高于光降解和电降解。本专利技术还提供了所述光阳极电极材料的制备方法和应用，其制备方法和应用方法操作简便，易于实施。附图说明图1为各实施例光阳极电极材料的光电解水电流活性曲线；图2为各实施例光阳极电极材料对亚甲基蓝溶液的光电催化活性曲线；图3为实施例3光阳极电极材料对亚甲基蓝溶液的光电催化活性、光催化活性和电催化活性曲线。具体实施方式本专利技术提供了一种光阳极电极材料，包含多孔硅和分散于所述多孔硅表面和孔隙内的二氧化钛纳米线；所述多孔硅的孔径为0.5～8μm；所述二氧化钛纳米线的长度为0.5～1.5μm，直径为0.1～0.3μm。本专利技术提供的由多孔Si和TiO2纳米线复合的光阳极电极材料，TiO2纳米线分散于所述多孔硅表面和孔隙内，像护盾一样覆盖着多孔Si材料。本专利技术提供了所述光阳极电极材料的制备方法，包含如下步骤：(1)将硅基片在沉积溶液中沉积银粒子，得到银硅基片；所述沉积溶液为硝酸银和氟化氢的混合液；(2)将所述银硅基片在刻蚀溶液中进行刻蚀，得到刻蚀基片；所述刻蚀溶液为过氧化氢和氟化氢的混合液；(3)将所述刻蚀基片在硝酸溶液中溶解掉银组分，得到多孔硅基片；(4)将所述多孔硅基片顺次在钛酸四丁酯的异丙醇溶液和无水乙醇中进行浸泡，重复所述浸泡1～8次制备晶种层，得到Si-Ti(OH)4基片；(5)对所述Si-Ti(OH)4基片进行退火处理，得到Si-TiO2基片；(6)将所述Si-TiO2基片在前驱体溶液中进行结晶生长，得到结晶Si-TiO2基片；所述前驱体溶液为钛酸四丁酯、盐酸和水的混合溶液；(7)对所述结晶Si-TiO2基片进行退火处理，得到光阳极电极材料。本专利技术将硅基片在沉积溶液中沉积银粒子，得到银硅基片；所述沉积溶液为硝酸银和氟化氢的混合液。本专利技术对所述硅基片的来源没有任何的特殊要求，采用本领域技术人员所熟知来源的硅基片即可。在本专利技术具体实施例中，所述硅基片具体为市售的N-型硅片(111)，其电阻率优选为20～50Ω·cm，更优选为30～40Ω·cm，最优选为34～38Ω·cm。本专利技术优选对硅基片进行前处理后再沉积银粒子。本专利技术将所述硅基片浸入前处理混合液浸泡，以去除硅基片表面的残留有机物和重金属离子；所述前处理混合液包含97wt％的浓硫酸和30wt％的双氧水，所述浓硫酸和双氧水的体积比为3:1，所述浸泡的时间为20min。所述浸泡结束后，本专利技术将硅基片和前处理混合液一起转移到超声清洗机中进行3次超声清洗，每次清洗2min。所述超声清洗结束后，本专利技术将硅基片取出置于清水中，继续超声清洗3次，每次清洗2min。本专利技术对上述技术方案所有的超声清洗均没有任何的特殊要求本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光阳极电极材料，包含多孔硅和分散于所述多孔硅表面和孔隙内的二氧化钛纳米线；所述多孔硅的孔径为0.5～8μm；所述二氧化钛纳米线的长度为0.5～1.5μm，直径为0.1～0.3μm。

【技术特征摘要】
1.一种光阳极电极材料，包含多孔硅和分散于所述多孔硅表面和孔隙内的二氧化钛纳米线；所述多孔硅的孔径为0.5～8μm；所述二氧化钛纳米线的长度为0.5～1.5μm，直径为0.1～0.3μm。2.权利要求1所述光阳极电极材料的制备方法，包含如下步骤：(1)将硅基片在沉积溶液中沉积银粒子，得到银硅基片；所述沉积溶液为硝酸银和氟化氢的混合液；(2)将所述银硅基片在刻蚀溶液中进行刻蚀，得到刻蚀基片；所述刻蚀溶液为过氧化氢和氟化氢的混合液；(3)将所述刻蚀基片在硝酸溶液中溶解掉银组分，得到多孔硅基片；(4)将所述多孔硅基片顺次在钛酸四丁酯的异丙醇溶液和无水乙醇中进行浸泡，重复所述浸泡1～8次制备晶种层，得到Si-Ti(OH)4基片；(5)对所述Si-Ti(OH)4基片进行退火处理，得到Si-TiO2基片；(6)将所述Si-TiO2基片在前驱体溶液中进行结晶生长，得到结晶Si-TiO2基片；所述前驱体溶液为钛酸四丁酯、盐酸和水的混合溶液；(7)对所述结晶Si-TiO2基片进行退火处理，得到光阳极电极材料。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)沉积溶液中硝酸银的浓度为0.001～0.02mol/L，氟化氢的浓度为4～5mol/L；所述沉积银粒子的时间为0.1～5min。4.根据权利要求2所述的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨继凯，宋德，陈张笑雄，王连锴，陈卫军，王美婷，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22